渦輪葉片材料雨滴侵蝕研究

風(fēng)力渦輪機(jī)葉片越來(lái)越長(zhǎng)，L超過(guò)100米并產(chǎn)生12兆瓦的功率每個(gè)渦輪機(jī)。 產(chǎn)生的功率與掃描區(qū)域成比例，與L2成比例（圖1a）。在相反，體重增加與L3成正比（圖1b），結(jié)果這些較長(zhǎng)的刀片發(fā)揮得更高對(duì)用于動(dòng)力傳輸?shù)凝X輪施加壓力。因此，重量輕的*空心葉片用建議使用更高比強(qiáng)度的材料，如碳纖維復(fù)合材料。但是，它還要研究抗降雨或水滴的抗侵蝕性。（圖1c）。一般來(lái)說(shuō)，侵蝕強(qiáng)度與L5成正比（圖1c），取決于速度可以高達(dá)150米/秒。

圖1.風(fēng)力轉(zhuǎn)子的比例定律（a）功率生成比例為L(zhǎng)2（b）體重增加量表為L(zhǎng)3

c）前沿雨侵蝕鱗片為L(zhǎng)5。

前緣的這種侵蝕性侵蝕條件是由雨滴的重復(fù)沖擊引起的并且損壞從孤立的凹坑進(jìn)展到深的鑿孔并且分層導(dǎo)致變質(zhì)空氣動(dòng)力學(xué)特征。由此產(chǎn)生的阻力增加（50至400％）可降低AEP（年化能源產(chǎn)量）下降5 至 20％。此外，不受控制的侵蝕有可能發(fā)生破壞下面的皮膚導(dǎo)致不平衡和渦輪機(jī)故障。負(fù)責(zé)的機(jī)制描述了水滴的破壞力和可以模擬水滴的測(cè)試儀器或摩擦計(jì)現(xiàn)場(chǎng)條件（表1）突出顯示。

表1.風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行期間的典型現(xiàn)場(chǎng)條件

物理水滴沖擊和磨損相關(guān)的材料損失

由于沖擊力學(xué)（雙重壓力），雨滴可能比腐蝕性顆粒造成更大的損害點(diǎn)）和產(chǎn)生的應(yīng)力波或瑞利波。這包括兩個(gè)階段（圖2a）：（a）水錘在*階段由液體產(chǎn)生的高速?zèng)_擊下降產(chǎn)生的壓力壓縮，導(dǎo)致P =wCV給出的壓力增加（圖2a）。沖擊壓力可高達(dá)500 MPa，持續(xù)時(shí)間<1μs，其特性曲線如圖所示圖2a。

圖2.（a）在階段I中，壓縮水滴內(nèi)的沖擊波導(dǎo)致沖擊脈沖。 特征沖擊壓力曲線與固體顆粒侵蝕（接觸時(shí)的中心應(yīng)力峰值）相比，顯示出水滴侵蝕（周邊應(yīng)力峰值）。（b）水錘壓力從表面凹陷開(kāi)始到加深和坑形成的損壞累積韌性材料。

液滴的反復(fù)沖擊導(dǎo)致初始凹陷和加深，導(dǎo)致凹坑/鑿孔形成在渦輪機(jī)前緣的早期使用壽命中看到。瑞利波（橫向噴射）散發(fā)出來(lái)第二階段，壓縮液滴從橫向向外擴(kuò)散，形成瑞利和瑞利剪切波（圖3a）。高速剪切波撕裂由水引起的表面起伏錘擊壓力并去除表面起伏以擴(kuò)大磨痕（圖3b）。剪波也在預(yù)先存在的缺陷處導(dǎo)致表面下的微裂紋，隨著時(shí)間的推移會(huì)聚結(jié)，導(dǎo)致分層在葉片前緣侵蝕的后期階段觀察到的失敗。

圖3.（a）在第二階段橫向噴射中，水滴向外擴(kuò)散，速度比沖擊速度大10倍產(chǎn)生剪切波和瑞利波。 （b）瑞利波導(dǎo)致剪切損壞或微裂紋，隨后是水降低橫向擴(kuò)散，消除表面粗糙。

高比強(qiáng)度的刀片材料應(yīng)具有高彈性和斷裂韌性以吸收沖擊能量并抑制應(yīng)力波以減輕侵蝕磨損。這種材料和涂層可以在Ducom水滴侵蝕測(cè)試儀中快速篩選，可以重現(xiàn)雨水侵蝕條件（表1）和損壞機(jī)制（圖2b和3b）。

Ducom水滴侵蝕（圖4）的工作原理是反復(fù)高速?zèng)_擊抗腐蝕材料上的液滴。 將高速水射流（高達(dá)250米/秒）切碎成水帶有兩個(gè)孔的旋轉(zhuǎn)圓盤的液滴。旋轉(zhuǎn)盤的速度用于控制沖擊水滴頻率（高達(dá)100赫茲）。在高處的同一位置進(jìn)行多次沖擊測(cè)試速度提供材料的加速腐蝕測(cè)試，再現(xiàn)了多年的現(xiàn)場(chǎng)前沿?fù)p壞在實(shí)驗(yàn)室的合理時(shí)間范圍內(nèi)。

圖4. Ducom水滴侵蝕測(cè)試儀示意圖。

*功能包括：

•高速水滴沖擊速度高達(dá)250米/秒

•水滴直徑可達(dá)2 mm

•在同一位置可控制的跌落沖擊頻率

（100 Hz）

•可移動(dòng)的X-Y-θ平臺(tái)，用于在不同

角度進(jìn)行多次測(cè)試

•加壓空氣葉片去除殘留的水膜并消

除水緩沖效果

•高速攝像頭端口，用于成像液滴尺

寸和量化速度